CN209545260U - 超低频率无线电能传输装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及超低频率无线电能传输装置，包括：电源模块，用于提供50Hz～400Hz的超低频交流电；发射端，与电源模块连接，该发射端包括补偿电容、线圈和铁芯，补偿电容的容值与线圈所匹配使得共振频率与所述电源模块逆变后的交流电频率一致；和接收端，与发射端结构相同。本公开的无线电能传输装置能够在超低频率下通过金属板传输电能，且发射端和接收端的传输效率较高。

Description

超低频率无线电能传输装置

技术领域

本公开属于无线电能传输领域，具体涉及能通过金属板传输电能的超低频率无线电能传输装置。

背景技术

一般来说，在无线电能传输系统中，如果把发射线圈和接收线圈用金属板隔开，由于磁通量无法穿透金属板，那么磁共振无线电能传输系统是在数万赫兹以上的高频下驱动的。有学者利用50Hz磁共振技术通过1mm厚不锈钢板进行无线电能传输，效率不足50％。

实用新型内容

本公开提供一种超低频率无线电能传输装置，能够通过金属板传输无线电能。

根据本公开实施例的一方面，提供一种超低频率无线电能传输装置，包括：

电源模块，用于提供50Hz～400Hz的超低频交流电；

发射端，与电源模块连接，该发射端包括补偿电容、线圈和铁芯，补偿电容的容值与线圈匹配使得共振频率与所述电源模块逆变后的交流电频率一致；

接收端，与发射端结构相同。

可选地，所述发射端和所述接收端的铁芯为矩形结构，或三角形结构，或指数曲线形结构，或包含有三角形孔的指数曲线形结构。

可选地，所述发射端与所述接收端之间的气隙约为30mm。

可选地，所述发射端与接收端之间的气隙的中间位置设有金属板。

可选地，所述发射端、接收端及金属板相互平行。

本公开的无线电能传输装置能够在超低频率下通过金属板传输电能，且发射端和接收端的传输效率较高。无线电能传输装置的铁芯重量、尺寸相对较小，而且传输效率和输出功率相对较大。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细的说明。

图1是本公开实施例示出的一种可穿透金属板的超低频率无线电能传输装置的电路框图。

图2是本公开实施例所示无线电能传输装置的电源模块的电路框图。

图3是本公开实施例所示无线电能传输装置的发射端结构示意图。

图4是本公开实施例所示无线电能传输装置的接收端结构示意图。

图5是本公开实施例所示无线电能传输装置的一种铁芯的结构示意图。

图6是本公开实施例所示无线电能传输装置的一种铁芯的结构示意图。

图7是本公开实施例所示无线电能传输装置的一种铁芯的结构示意图。

图8是本公开实施例所示无线电能传输装置的一种铁芯的结构示意图。

具体实施方式

参考图1，一种超低频率无线电能传输装置包括电源模块1、发射端2和接收端3，接收端3放置于金属外壳4内时，电磁波可穿透金属外壳4进行无线电能传输。

电源模块1为超低频逆变电源，逆变器采用的是脉宽调制逆变器，工作频率在400Hz或以下。电源模块1输入端可采用任意电压(一般取用220V 50Hz交流电)，输出端可输出400Hz以下的超低频交流电。参考图2，电源模块1包括单片机1-1、整流电路1-2和逆变电路1-3。单片机1-1的功能为PWM控制器。整流电路1-2可以将220V 50Hz交流电转变为逆变电路1-3所需的稳定直流电。逆变电路1-3可以输出频率在50Hz到400Hz范围内的正弦交流电，频率一般取100Hz的整数倍，调节输出功率为400W左右。在实际运用中，整流电路1-2整流出的直流电与逆变电路1-3逆变出的交流电的频率和功率根据具体使用情况进行选择。

发射端2和接收端3的补偿电容的容值、线圈匝数、线圈用线、铁芯结构等均相同。接收端3放置于金属外壳4内时，应当使得发射端2、接收端3及二者之间的金属板(金属外壳4位于接收端3和发射端2之间的部分)相互平行。参考图3，发射端2包括发射端补偿电容2-1、发射线圈2-2和铁芯2-3，补偿电容2-1的容值根据共振条件得出，发射线圈2-2是用单线漆包线绕成的，线径和匝数根据具体使用情况进行选择。

发射端2和接收端3的铁芯2-3，3-3设计时要满足小巧和质轻的要求，并保持较高的磁耦合系数，并避免磁饱和。为了减小铁芯的重量，铁芯横截面积S与工作频率的关系可表示为：

其中，B为饱和磁通量密度，E为电动势，N为匝数，假设所有原型设备的B和E值是相似的，则可以根据此式适当的降低重量，而达到近似相同有效的作用效果。

磁耦合系数尽管很大程度上依赖于磁极面积，但也受到磁极形状的影响，在使用无线电能传输仿真器进行铁芯形状评估后，参见图5～图8，铁芯可为矩形结构，或三角形结构，或指数曲线形结构，或在指数曲线形结构上设三角形孔，即选择这些形状的铁芯可以减轻重量。

参考图4，接收端3连接负载3-4，负载3-4一般为可充电电池，负载3-4需要放置在金属外壳4外，因此需要在金属外壳4上开一个孔洞，允许一些电缆线通过。接收端3包括接收端补偿电容3-1、接收线圈3-2、铁芯3-3。接收端补偿电容3-1的容值，接收线圈3-2的匝数、材料，铁芯的结构均与发射端相同。鉴于磁耦合系数与间隙之间的关系为传输距离越远，耦合系数越低，气隙的选择显得尤为重要，在一种可能的实施方式中，接收端3和发射端2之间的气隙为为30mm，金属板(金属外壳4位于接收端3和发射端2之间的部分)应放置在气隙中心。

在一种可能的实施方式中，金属盒外壳4的尺寸为：长300mm、宽220mm、高220mm，材质采用不锈钢304，厚度为1mm。通过金属板传输，交变磁场对金属的穿透深度由下式估算：

式中：μ和σ分别为金属的电导率和磁导率。穿透深度d为磁通量密度衰减到初始值36.7％(1/e)时的深度。d为21.3mm时为400Hz，故气隙取为30mm，工作频率取在400Hz左右。

不同铁芯结构与传输性能的关系如下所示：

由上表可知，矩形结构的铁芯能够使线圈得到最大电感，三角形结构的铁芯的线圈虽然自感系数稍低，但是耦合系数k值较高。指数曲线形结构的铁芯可以在一定程度上降低权重。若采用指数曲线外加三角形孔结构的铁芯，则耦合系数能够达到最大，传输效率和传输功率都不错，更为突出的是在降低线圈的重量上具有最好的效果。

在工作时：220V 50Hz交流电经过整流电路1-2整流成直流电，再经由逆变电路1-3逆变成与发射线圈2-2匹配的特定频率的正弦交流电。发射端的补偿电容容值应与发射线圈所匹配，使得共振频率与逆变后的交流电频率一致。接收端3的接收线圈3-2和接收端补偿电容3-3参数应与发射端相同，即保证共振频率相同，从而能够在相同频率下传输磁场能量，并经由负载进行消耗。

Claims (3)

1.一种超低频率无线电能传输装置，其特征在于，包括：

电源模块，用于提供50Hz～400Hz的超低频交流电；

发射端，与电源模块连接，该发射端包括补偿电容、线圈和铁芯，补偿电容的容值与线圈所匹配使得共振频率与所述电源模块逆变后的交流电频率一致；和

接收端，与发射端结构相同。

2.根据权利要求1所述的超低频率无线电能传输装置，其特征在于，所述发射端和所述接收端的铁芯为矩形结构，或三角形结构，或指数曲线形结构，或包含有三角形孔的指数曲线形结构。

3.根据权利要求1或2所述的超低频率无线电能传输装置，其特征在于，所述发射端、接收端及位于发射端和接收端之间的金属板相互平行。